导电水泥基复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了导电水泥基复合材料，原材料包括以下重量比的水泥40～60份、粉煤灰8～15份、水25～35份、减水剂0～2份、静电自组装碳纳米管/纳米炭黑0.5～7份。制备方法包括：取所述重量比的原材料；在水泥净浆搅拌机中依次加入水、减水剂、水泥、粉煤灰和静电自组装碳纳米管/纳米炭黑，搅拌均匀，得到拌合物；把所述的拌合物浇注到模具中，插入用于连接外部电路的电极，再将模具置于振动台上振动并抹平；将模具放入温度为20℃、相对湿度为95％的养护箱中养护24～36小时后脱模。与现有技术相比，本发明专利技术提供的导电水泥基复合材料具有制备工艺简便、致密性好、静态电阻率小、压敏性稳定、灵敏度高、耐久性好、与混凝土结构相容性好等优点。

【技术实现步骤摘要】
导电水泥基复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及建筑材料
，具体涉及水泥基复合材料，特别涉及一种导电水泥基复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
由于外部荷载和腐蚀，材料老化和疲劳等环境条件的作用，桥梁和房屋建筑等混凝土结构在服役过程中容易失效，从而威胁到人们的生命财产安全。结构健康监测技术可以通过对钢筋锈蚀速率、含水量、pH值、加速度、应力、应变和裂缝的实时监测实现对结构性能的评估。目前应用于混凝土结构健康监测的传感器主要包括电阻应变片、光纤传感器、压电陶瓷和形状记忆合金等。然而这些传感器存在耐久性差、灵敏度低、成本高及与混凝土结构相容性不好等缺点。近年来研究者们将碳材料(碳纤维、碳纳米管和炭黑)、钢纤维和镍粉等导电填料添加到水泥基材料中研制的自感知水泥基复合材料，具有良好的导电性、压敏性和耐久性，同时与混凝土结构具有良好的相容性。在过去的十年里，纳米技术成功应用于水泥基材料中，一方面增强了水泥基材料的强度等传统性能，另一方面赋予了水泥基材料新的功能特性。因此，将纳米导电填料应用于水泥基材料中可制备出具有良好导电性和压敏性的自感知水泥基复合材料，在路面融雪化冰、静电屏蔽、交通探测、钢筋锈蚀监测、应力/应变监测、裂缝和损伤监测等方面具有广阔的研究和应用前景。碳纳米管不仅具有强度高、变形大、比表面积大和耐久性好等优越的性能，同时还具有良好的导电性能。纳米炭黑具有独特的空壳结构、较高的比表面积、良好的导电性和低廉的价格。因此，碳纳米管与纳米炭黑都是理想的自感知水泥基复合材料的填料。文献1(LiGY,WangPM,ZhaoXH.Pressure-sensitivepropertiesandmicrostructureofcarbonnanotubereinforcedcementcomposites.CementandConcreteComposites2007；29(5):377-382.)研究表明，碳纳米管掺量为水泥质量0.5％的水泥基复合材料具有良好的导电性能和压敏性能，其电阻率为149Ω·cm。在15kN循环压缩荷载作用下，其电阻率变化率绝对值的最大值为14％。文献2(LiH,XiaoHG,OuJP.Effectofcompressivestrainonelectricalresistivityofcarbonblack-filledcement-basedcomposites.CementandConcreteComposites2006；28(9):824-828.)研究得出纳米炭黑掺量为水泥质量15％的水泥基复合材料具有良好的压敏性，其灵敏度可以达到55.28。碳纳米管具有较大的比表面积和长径比，同时由于较大的分子间作用力使得其较容易团聚，在水泥基体中不容易分散。分散不好的碳纳米管将会在水泥基复合材料中形成孔隙或缺陷，从而影响碳纳米管水泥基复合材料的力学性能及感知效果。纳米炭黑往往需要较高的掺量才能使水泥基复合材料获得较好的导电性和压敏性。然而，纳米炭黑能够吸附在水泥颗粒表面阻止其水化。另外，纳米炭黑会吸附一部分自由水降低拌合物的流动性，这样需要增大水胶比获得成型所需的流动性。这些都会减弱纳米炭黑水泥基复合材料的力学性能。文献3(公布号为CN202453128U的中国技术专利)在制备碳纳米管水泥基复合材料传感器时，采用了分散剂才能使碳纳米管在水泥基体中较好的分散，分散工艺较为复杂，并且该专利中未给出应力/应变与电阻率变化率之间的关系。文献4(DaiYW,SunMQ,LiuCG,LiZQ.Electromagneticwaveabsorbingcharacteristicsofcarbonblackcement-basedcomposites.CementandConcreteComposites2010；32(7):508-513.)制备的纳米炭黑水泥基复合材料中纳米炭黑的体积掺量从0增加到2.78％的过程中，对应的纳米炭黑水泥基复合材料的抗压强度从67MPa下降到22MPa。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决碳纳米管和纳米炭黑在水泥净浆中不易分散、大掺量纳米炭黑减弱水泥基复合材料力学性能的问题，提供一种易于分散、掺量低、导电性和压敏性良好的导电水泥基复合材料。技术方案如下：导电水泥基复合材料，原材料包括以下重量比的水泥40～60份、粉煤灰8～15份、水25～35份、减水剂0～2份、静电自组装碳纳米管/纳米炭黑0.5～7份。本专利技术所述减水剂优选为聚羧酸高效减水剂，粉煤灰优选为一级粉煤灰。所述复合材料的静态电阻率为300Ω·cm～500000.0Ω·cm，在弹性范围内的循环压应力/应变作用下，电阻率变化率的绝对值为0～30％，应力灵敏度为0～3％·MPa-1，应变灵敏度为0～300，在单调加载至破坏的过程中，电阻率变化率绝对值的最大值为3.5％～68.5％。本专利技术应用的碳纳米管和纳米炭黑复合体是由碳纳米管和纳米炭黑通过静电自组装(静电自组装技术主要应用于光电子、生物制药和化工等领域)而成的纳米碳材料，具有类似葡萄串的结构，碳纳米管与纳米炭黑分别像葡萄串的茎和葡萄颗粒，如图1所示，具体采用文献5(卢浩，董立，徐磊，等.静电组装法制备CB/CNTs导电复合材料.科技创新导报.2014(11):74-76.)所述方法制备。纳米炭黑能够填充到相邻碳纳米管之间的微空隙，独特的葡萄串状结构能够促进纳米碳材料在水泥基体中的分散。同时，丝状的碳纳米管在水泥基体中能够起到导电的桥联路径作用，纳米炭黑则能够形成链状的导电通路。碳纳米管与纳米炭黑的协同导电作用使添加葡萄串状纳米碳材料的水泥基复合材料具有比单掺碳纳米管或纳米炭黑的水泥基复合材料具有更好的导电性和压敏性。本专利技术还提供所述导电水泥基复合材料的制备方法：当原材料中不含减水剂时，包括以下步骤，(1)取所述重量比的原材料；(2)在水泥净浆搅拌机中依次加入水、水泥、粉煤灰和静电自组装碳纳米管/纳米炭黑，搅拌均匀，得到拌合物；(3)把所述的拌合物浇注到模具中，插入用于连接外部电路的电极，再将模具置于振动台上振动并抹平；(4)将模具放入温度为20℃、相对湿度为95％的养护箱中养护24～36小时后脱模，得导电水泥基复合材料试件。当原材料中含减水剂时，包括以下步骤，(1)取所述重量比的原材料；(2)在水泥净浆搅拌机中依次加入水、减水剂、水泥、粉煤灰和静电自组装碳纳米管/纳米炭黑，搅拌均匀，得到拌合物；(3)把所述的拌合物浇注到模具中，插入用于连接外部电路的电极，再将模具置于振动台上振动并抹平；(4)将模具放入温度为20℃、相对湿度为95％的养护箱中养护24～36小时后脱模，得导电水泥基复合材料试件。本专利技术还提供纳米碳材料自感知水泥基传感器，包括上述的导电水泥基复合材料。本专利技术还提供纳米碳材料自感知水泥基传感器在混凝土结构健康监测、交通探测或路面融雪化冰中的应用。与现有技术相比，本专利技术提供的导电水泥基复合材料具有制备工艺简便、致密性好、静态电阻率小、压敏性稳定、灵敏度高、耐久性好、与混凝土结构相容性好等优点。未添加纳米碳材料的水泥基材料的静态电阻率为455232Ω·cm，在10MPa的循环压应力作用下，水泥基材料电阻率变化率在1％以内无规则波动，灵敏度近本文档来自技高网...

【技术保护点】
导电水泥基复合材料，原材料包括以下重量比的水泥40～60份、粉煤灰8～15份、水25～35份、减水剂0～2份、静电自组装碳纳米管/纳米炭黑0.5～7份。

【技术特征摘要】
1.导电水泥基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）按重量比取以下原材料：水泥40～60份、粉煤灰8～15份、水25～35份、减水剂0～2份、静电自组装碳纳米管/纳米炭黑0.5～7份；（2）在水泥净浆搅拌机中依次加入水、减水剂、水泥、粉煤灰和静电自组装碳纳米管/纳米炭黑，搅拌均匀，得到拌合物；（3）把所述的拌合物浇注到模具中，插入用于连接外部电路的电极，再将模具置于振动台上振动并抹平；（4）将模具放入温度为20℃、相对湿度为95%的养护箱中养护24～36小时后脱模，得导电水泥基复合材料试件。2.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩宝国，王云洋，张立卿，欧进萍，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21